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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于数值模拟的微流控芯片涡旋混合器研究 姓名：夏赟 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：刘笔锋 20090521 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 微流体混合是微流控芯片分析技术 （lab-on-a-chip） 实现过程中不可或缺的一环， 因而微流芯片混合器也已成为整个微流控分析系统设计的关键性组成部分。快速均 一的混合对于 DNA 杂交、蛋白质折叠、酶反应等一些需要快速反应的生化过程实现 片上分析与研究具有重要的意义。 本文回顾了近年来在微流控芯片混合器方面的最新进展，分别阐述了主动式和 被动式混
2、合器中的流动现象与混合特性，简要概括了这些不同类型微流混合器的结 构、原理和特征。此外，本文从一种具有 4 入口圆柱混合腔的非平衡水力驱动微流 体混合器出发，设计了一种基于涡旋流动而加快混合过程的圆柱型微混合器，并依 靠计算流体力学的数值模拟方法，对影响微混合腔内流体混合的参数进行了研究， 分析了涡旋混合的过程与机制，在此基础上提出了几组优化的几何结构与尺寸，最 终依照这几组设计的模拟结果进行了混合效果对比，确定了最理想的结构与混合参 数。 另外，本文从模拟优化的结论出发，依靠基于 PDMS（聚二甲基硅氧烷）和玻 璃材料的微细加工工艺，在本实验室的现有加工条件下，尝试并发展了一套完整的 加工方
3、案，设计制作出了一组实现该圆柱型混合器功能的多层结构 PDMS 微流控芯 片。 关键词：关键词：微流控芯片 混合器 涡旋 数值模拟 Fluent PDMS II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Micromixing has become an essential method in microfluidic analytical technology nowadays, resulting in the fact that microfluidic mixer turns into one of the most important
4、components in the entire microfluidic system when designed. The realization of rapid homogeneous mixing helps research on DNA hybridization, protein folding, and enzyme reaction, which depend on fast biochemical reaction, to be held on chip. Weve discussed the latest development in micromixing on mi
5、crofluidic chips and summarized the mixing phenomenon, principles and characteristics in active and passive mixers. One novel circular microfluidic mixer to mix fluids from two inlets ports into a circular chamber using hydrodynamic pumps is proposed and interests us. Based on vortex mixing weve dev
6、eloped a cylinder micromixer and numerical simulation is carried out to study the influence on mixing intensity by geometric parameters and other variables. Optimization on mixing performance is presented based on different mixers. Furthermore, we developed the fabrication method for this vortex mix
7、er with the polymer PDMS as the material, and build a multilayer PDMS micromixer on glass substrate. Key words: Microfluidic chip Mixer Vortex Numerical simulation Fluent PDMS 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以
8、明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华
9、华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 微流控分析芯片技术微流控分析芯片技术 微型化与集成化已成为当今分析化学与生命科学分析仪器领域的主题。自上个 世纪90年代A. Manz和D. Harrison等开展了由毛细管电泳发展而来的早期芯片电泳 的开拓性研究工作1,2， 近 20 年来，有关流体控制与流体分析的微型化技术出现在生 化分析的各个研究领域。最早，这一类微型化技术是由 A. Manz 和 Widmer 以“微全 分析系统”（TAS，Micro Total Analysis System）的概念提出3,4，即希望以微机电系 统（Micro
10、-Electro-Mechanical-Systems，简称 MEMS）加工技术为实现手段，通过生 化分析设备的微型化与集成化，最大限度地把常规分析实验室的各项研究功能集成 到便携的仪器分析设备中，甚至集成到一块几平方厘米（甚至更小）的芯片上，即 微流控芯片（Microfluidic Chip） ，或称芯片实验室5,6（Lab-on-a-chip，简称 LOC） 。 目前，微流控芯片的应用领域已得到了很大的拓展，覆盖了包括微阵列分析， DNA 测序， 生化样本制备与分析， 细胞分选与检测以及环境监测等在内的各个方面。 相比于传统的实验设备与技术手段，微流控芯片的特殊优势在于其结构微型化所带 来
11、的分析功能的规模集成，这种集成化的微型化整体又以微型的单元操作为基础。 化学和生物实验室涉及的过程很多，在分子层面上，有样品引入、样品处理、反应 混合、分离检测等，而在细胞层面上则有细胞培养、分选裂解、内含物分析等。所 有的过程和操作按需求灵活组合，而这种组合的有效运行则借助于对芯片中流体的 整体控制，因此对流体进行控制又与芯片尺寸相适应的微通道、微泵、微阀以及微 混合器是芯片发挥集成优势的关键，也是微流控芯片系统中的特征性标志。 通过这些独特的微型化结构与控制装置，芯片中的流体在微米甚至是纳米级的 流动形态下，往往能够发挥出其区别于常规分析检测仪器的众多特色与优点： （1）样品及试剂的低消耗
12、：这是通道微型化所带来的一个直接的好处，一次实 验所需的样品含量已降至微升甚至纳升，进而减少了检测成本提高了分析手段的易 用性。 （2）分析过程快速高效：由于结构尺寸缩小所带来的高传质速率与微尺度上快 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 速反应，实验操作所需的时间可在数秒至数十秒内 。另外，由于芯片设计及加工上 的优势，高通量的并行操作处理也可以得到实现，大大提高了分析效率。 （3）高集成度与便携性：加工技术的进步使得分析系统的各个组件及功能都能 够集成在方寸大小的芯片上，实现了多功能分析设备的便携化与易用性。 （4）加工技术成熟制作成本低：微流控芯片加
13、工技术由微机电加工技术发展而 来，工艺成熟方法多样。加工材料廉价易得，若实现批量生产可进一步降低制作成 本，利于推广与普及。 1.2 微流混合器微流混合器 微流混合器与微泵、微阀一样，都是微流控系统中实现流体控制操作的基本功 能单元。作为生化反应的前处理装置，微流混合器主要用于各种试剂的充分混合。 对比与常规的宏观混合装置，微流混合器具有混合时间快，混合体积小，精确度高， 容易定量分析等优越性，因此可作为一种有力的技术手段广泛应用在各种基于流体 混合的分析领域，如药物反应，样品测定，核算测序，蛋白质折叠等。而研究作为 一种发展中的方法，微流混合技术本身也日益成为微流控领域的研究重点，并且， 对
14、于微流混合器的研究有助于我们加深关于微尺度下物质输送现象的理解。 微米级的通道中的一个最显著效应就是流体的流动状态不再受惯性力影响转而 由粘性力主导。另一方面，微流系统尺寸的缩小导致表面积与体积比（简称面体比） 大幅增加，从而极大地提高了通道中的传质与传热效率，使得快速扩散过程得以在 小至 100s 的时间内完成。 通常情况下， 微混合器能够达到 30000 m2m-3左右的面体 比而常规的批量反应器只能够达到 4 m2m-3。此外，较高的热传递效率能够为微流混 合器中反应物的快速加热与冷却带来便利，自由地控制反应环境温度，整个系统的 温度控制也更为精确7。 1.2.1 微混合微混合 混合通常
15、是指两种或多种不同的流体混合为一相，或者是指固体分子之间的相 互扩散。混合是一个物理过程，其目的是实现参与过程的不同组分的均一分布。溶 质混合有两个机理：一为扩散传质，另一为对流传质。溶质团在对流的作用下变形， 并被分裂成碎块，使分割尺度变小。从而增加和更新溶质的高低浓度区域之间的接 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 触面积，促进分子扩散引起的混合与传递。 雷诺数 Re (Reynolds number)是一个与混合密切相关的无因次系数，它是流体流 动时的惯性力与粘性力 （内摩擦力） 之比8。 雷诺数大， 意味着惯性力占据主要地位， 流体呈湍流流动状态
16、；雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位， 流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。在宏观系统中一般认 为管道雷诺数 Re4000 为湍流状态，Re=20004000 为过渡状 态。 但是要在微通道中混合溶液并不容易，这是因为在微通道中粘性力占据绝对主 导，雷诺数 Re 远远小于 2000。一般情况下液流的状态为层流，缺乏湍流状态下能使 流体快速实现均一化的局部压力与流速突变，分子在通道中的横向扩散过程很缓慢 9。大多数微混合系统受限于低雷诺数条件，组分间混合效应主要依赖于扩散，不像 在高雷诺数条件下，能发生强烈的对流与湍流效应，所以，通常的微流控装置都使 用单一通道分别导入液流依赖纯扩散效应实现混合。当通道横截面的尺度在数十微 米级时，只需几秒就能完成
